ライトマップ

ライトマップは、仮想シーン内の表面の明るさを事前に計算し、後で使用するためにテクスチャ マップに保存する表面キャッシュの形式であるライトマッピングで使用されるデータ構造です。ライトマップは、ビデオ ゲームなどのリアルタイム3D コンピューター グラフィックスを使用するアプリケーションの静的オブジェクトに最も一般的に適用され、比較的低い計算コストで グローバル イルミネーションなどの照明効果を提供します。

ジョン・カーマックのQuakeは、ライトマップを使用してレンダリングを強化した最初のコンピュータゲームでした。^[1]ライトマップが発明される前、リアルタイムアプリケーションは、サーフェスの頂点ライティングを補間するために、完全にグーローシェーディングに依存していました。これは、低周波のライティング情報のみを許可し、遠近法を正しく補間しないと、カメラの近くにクリッピングアーティファクトを作成する可能性がありました。不連続メッシュは、特にラジオシティソリューションで頂点ライティング情報の解像度を適応的に改善するために使用されることがありましたが、リアルタイムラスタライゼーションのためのプリミティブセットアップの追加コストは通常​​、法外でした。Quakeのソフトウェアラスタライザは、サーフェスキャッシュを使用して、ポリゴンが最初に視錐台内に表示されたときにテクスチャ空間でライティング計算を1回適用しました（ビューワーがシーンを移動するときに、現在表示されているテクスチャの一時的な「照明付き」バージョンを効果的に作成します）。

マルチテクスチャリングが可能な消費者向け 3D グラフィックス ハードウェアが普及するにつれて、ライト マッピングが普及し、エンジンはライト マップを二次的な乗算ブレンド テクスチャ レイヤーとしてリアルタイムで組み合わせるようになりました。

ライトマップは、テクスチャ マッピングのテクセルに類似した、ルーメル^[2] (発光要素)で構成されています。ルーメルが小さいほど、ライトマップの解像度が高くなり、パフォーマンスが低下し、メモリ使用量が増える代わりに、より細かい照明の詳細が得られます。たとえば、ライトマップのスケールがワールド ユニットあたり 4 ルーメルの場合、ワールド ユニットあたり 16 ルーメルの場合よりも品質が低くなります。したがって、この手法を使用する場合、レベル デザイナーや3D アーティストは、パフォーマンスと品質の間で妥協しなければならないことがよくあります。高解像度のライトマップを頻繁に使用すると、アプリケーションが過剰なシステム リソースを消費し、パフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。ライトマップの解像度とスケーリングは、ディスク ストレージ容量、帯域幅/ダウンロード時間、またはアプリケーションで使用できるテクスチャ メモリによっても制限される可能性があります。一部の実装では、これらの制限を回避するために、 アトラス化^{[3]と呼ばれるプロセスで複数のライトマップをまとめてパックしようとします。}

ライトマップの解像度とスケールは、2 つの異なるものです。解像度は、1 つ以上のサーフェスのライトマップを保存するために使用できる領域 (ピクセル単位) です。ライトマップに収まる個々のサーフェスの数は、スケールによって決まります。スケール値が小さいほど、品質が高くなり、ライトマップで占めるスペースが多くなります。スケール値が大きいほど、品質が低くなり、占めるスペースが少なくなります。サーフェスには、同じ面積 (つまり 1:1 の比率) のライトマップを配置できます。または、ライトマップが収まるように引き伸ばされる、より小さい比率のライトマップを配置できます。

ゲーム内のライトマップは、通常、色付きのテクスチャ マップです。ライトマップは通常はフラットで、光の方向に関する情報はありませんが、一部のゲーム エンジンでは、複数のライトマップを使用して、法線マップと組み合わせるおおよその方向情報を提供します。ライトマップには、アンビエント オクルージョンや太陽光の影など、シェーダーを使用した半動的照明用の照明情報の計算済みコンポーネントが別々に保存されることもあります。

ライトマップを作成する場合、照明は完全に事前計算されており、リアルタイムのパフォーマンスが常に必要というわけではないため、任意の照明モデルを使用できます。通常、アンビエントオクルージョン、サンプリングされたシャドウエッジによる直接照明、フルラジオシティ^[4]バウンスライトソリューションなど、さまざまな手法が使用されます。最新の3Dパッケージには、ライトマップのUV座標を適用し、複数のサーフェスを単一のテクスチャシートにアトラス化し、マップ自体をレンダリングするための特定のプラグインが含まれています。または、ゲームエンジンパイプラインにカスタムライトマップ作成ツールが含まれている場合があります。さらに、ブロッキングアーティファクトの影響を受ける圧縮DXTテクスチャの使用についても検討する必要があります。最良の結果を得るには、個々のサーフェスが4x4テクセルチャンク上で衝突してはなりません。

いずれの場合も、単純なオクルージョン テスト (基本的なレイ トレーシングなど) を使用して、どのルーメルが光に見えるかを判断すると、静的ジオメトリのソフト シャドウが可能になります。ただし、シャドウの実際の柔らかさは、エンジンがルーメル データをサーフェス全体に補間する方法によって決まり、ルーメルが大きすぎるとピクセル化された外観になる可能性があります。テクスチャ フィルタリングを参照してください。

ライトマップはリアルタイムで計算することもできる^[5]ため、グーローシェーディングの欠陥の影響を受けにくい高品質のカラー照明効果が得られますが、リアルタイムレイトレーシングはほとんどの3Dエンジンの最新ハードウェアで実行するには遅すぎるため、影の作成はステンシルシャドウボリュームやシャドウマッピングなどの別の方法を使用して行う必要があります。

フォトン マッピングは、ライト マップのグローバル イルミネーションを計算するために使用できます。

頂点ライティングでは、ライティング情報は頂点ごとに計算され、頂点カラー属性に保存されます。2 つの手法を組み合わせることもできます。たとえば、頂点カラー値は高精細メッシュ用に保存され、ライト マップは粗いジオメトリにのみ使用されます。

不連続マッピングでは、シーンをさらに細分化し、明暗の大きな変化に沿って クリップして、影をより明確に定義することができます。

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